Desain rangkaian sink arus konstan sederhana menggunakan op

Sumber Arus dan Sink Arus adalah dua istilah utama yang digunakan dalam desain elektronik, kedua istilah ini menentukan berapa banyak arus yang dapat keluar atau masuk ke terminal. Misalnya, sink dan sumber arus pin keluaran digital Mikrokontroler 8051 khas adalah 1.6mA dan 60uA masing-masing. Artinya pin dapat mengirimkan (sumber) hingga 60uA saat dibuat Tinggi dan dapat menerima (tenggelam) hingga 1.6mA saat dibuat Rendah. Selama desain sirkuit kita, terkadang kita harus membangun sumber arus dan rangkaian sink kita sendiri. Dalam tutorial sebelumnya, kami membangun rangkaian sumber arus terkontrol tegangan menggunakan op-amp umum dan MOSFET yang dapat digunakan untuk mengalirkan arus ke beban, tetapi dalam beberapa kasus alih-alih arus sumber, kami memerlukan opsi sink arus.

Karenanya, dalam tutorial ini, kita akan belajar cara membangun rangkaian sink arus konstan yang dikontrol tegangan. Sirkuit penyerap arus konstan yang dikontrol tegangan, seperti namanya mengontrol jumlah arus yang mengalir melaluinya berdasarkan tegangan yang diterapkan. Sebelum melangkah lebih jauh dengan konstruksi rangkaian, mari kita pahami tentang rangkaian sink arus konstan.

Apa itu Sirkuit Tenggelam Arus Konstan?

Rangkaian sink arus konstan sebenarnya menenggelamkan arus terlepas dari resistansi beban selama tegangan input tidak berubah. Untuk sirkuit dengan resistansi 1-ohm, didukung menggunakan input 1V, arus konstan adalah 1A menurut Hukum Ohm. Tetapi, jika hukum Ohm menentukan berapa banyak arus yang mengalir melalui suatu rangkaian, lalu mengapa kita membutuhkan sumber arus konstan dan rangkaian sink arus?

Seperti yang Anda lihat dari gambar di atas, rangkaian sumber arus menyediakan arus untuk menggerakkan beban. Jumlah beban arus yang diterima akan ditentukan oleh rangkaian sumber arus karena ia bertindak sebagai catu daya. Demikian pula, rangkaian sink arus bertindak seperti ground, sekali lagi jumlah arus yang diterima beban akan dikontrol oleh rangkaian sink arus. Perbedaan utamanya adalah bahwa rangkaian sumber harus ke sumber (suplai) arus yang cukup untuk beban, sedangkan rangkaian sink harus membatasi arus yang melalui rangkaian.

Penyerap arus yang dikontrol tegangan menggunakan Op-Amp

Rangkaian sink arus konstan yang dikontrol tegangan bekerja persis dengan cara yang sama seperti rangkaian sumber arus terkontrol tegangan yang kita buat sebelumnya.

Untuk rangkaian sink arus, sambungan op-amp diubah, yaitu masukan negatif dihubungkan ke resistor shunt. Ini akan memberikan umpan balik negatif yang diperlukan untuk op-amp. Kemudian kami memiliki transistor PNP, yang dihubungkan melintasi output Op-amp sehingga pin output Op-amp dapat menggerakkan transistor PNP. Sekarang, selalu ingat bahwa Op-Amp akan mencoba membuat tegangan pada kedua input (positif dan negatif) sama.

Misalkan, masukan 1V diberikan melalui masukan positif op-amp. Op-amp sekarang akan mencoba membuat masukan negatif lainnya juga sebagai 1V. Tapi bagaimana ini bisa dilakukan? Output dari op-amp akan menghidupkan transistor sedemikian rupa sehingga input lainnya akan mendapatkan 1V dari Vsupply kita.

Resistor shunt akan menghasilkan tegangan jatuh sesuai hukum Ohm, V = IR. Oleh karena itu, arus 1A yang mengalir melalui transistor akan membuat tegangan turun sebesar 1V. Transistor PNP akan menenggelamkan arus 1A ini dan op-amp akan menggunakan penurunan tegangan ini dan mendapatkan umpan balik 1V yang diinginkan. Dengan cara ini, mengubah tegangan input akan mengontrol Basis serta arus yang melalui resistor shunt. Sekarang, mari kita perkenalkan beban yang harus dikontrol ke dalam rangkaian kita.

Seperti yang Anda lihat, kami telah merancang rangkaian sink arus terkontrol tegangan menggunakan Op-Amp. Tetapi untuk demonstrasi praktis, daripada menggunakan RPS untuk memberikan tegangan variabel ke Vin, mari kita gunakan potensiometer. Kita sudah tahu bahwa potensiometer yang ditunjukkan di bawah ini berfungsi sebagai pembagi potensial untuk memberikan tegangan variabel antara 0V ke Vsupply (+).

Sekarang, mari buat sirkuit dan periksa cara kerjanya.

Konstruksi

Sama seperti tutorial sebelumnya, kita akan menggunakan LM358 karena sangat murah, mudah ditemukan, dan banyak tersedia. Namun, ia memiliki dua saluran op-amp dalam satu paket, tetapi kami hanya membutuhkan satu. Kami sebelumnya telah membangun banyak sirkuit berbasis LM358, Anda juga dapat memeriksanya. Gambar di bawah ini adalah gambaran dari diagram pin LM358.

Selanjutnya, kita membutuhkan transistor PNP, BD140 digunakan untuk tujuan ini. Transistor lain juga akan berfungsi, tetapi pembuangan panas menjadi masalah. Oleh karena itu, paket Transistor harus memiliki opsi untuk menyambungkan unit pendingin tambahan. Pinout BD140 ditunjukkan pada gambar di bawah ini -

Komponen utama lainnya adalah Resistor Shunt. Mari kita tetap menggunakan resistor 47ohms 2watt untuk proyek ini. Detail komponen yang diperlukan dijelaskan dalam daftar di bawah ini.

Op-amp (LM358)
Transistor PNP (BD140)
Resistor Shunt (47 Ohm)
Resistor 1k
Resistor 10k
Catu daya (12V)
Potensiometer 50k
Papan Roti dan kabel penghubung tambahan

Tegangan Terkendali Sirkuit Sink Saat Ini Bekerja

Sirkuit ini dibangun di papan tempat memotong roti sederhana untuk tujuan pengujian seperti yang Anda lihat pada gambar di bawah ini. Untuk menguji fasilitas arus konstan, resistor yang berbeda digunakan sebagai beban resistif.

Tegangan input diubah menggunakan potensiometer dan perubahan arus tercermin dalam beban. Seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini, arus 0,16A tenggelam oleh beban. Anda juga dapat memeriksa detail kerja di video yang ditautkan di bagian bawah halaman ini. Tapi, apa sebenarnya yang terjadi di dalam sirkuit?

Seperti dibahas sebelumnya, selama input 8V, op-amp akan membuat tegangan turun melintasi resistor shunt untuk 8V di pin umpan baliknya. Output dari op-amp akan menghidupkan Transistor hingga resistor shunt menghasilkan penurunan 8V.

Sesuai hukum Ohm, resistor hanya akan menghasilkan penurunan 8V ketika aliran arus 170mA (0,17A). Ini karena Tegangan = arus x hambatan. Oleh karena itu, 8V = 0,17A x 47 Ohm. Dalam skenario ini, beban resistif yang terhubung secara seri seperti yang ditunjukkan pada skema juga akan berkontribusi pada aliran arus. Op-amp akan menghidupkan transistor dan jumlah arus yang sama akan ditenggelamkan ke ground sebagai resistor shunt.

Sekarang, jika tegangannya tetap, berapa pun beban resistif yang terhubung, aliran arusnya akan sama, jika tidak, tegangan pada op-amp tidak akan sama dengan tegangan input.

Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa arus yang melalui beban (arus yang tenggelam) sama dengan arus yang melalui Transistor yang juga sama dengan arus yang melalui resistor shunt. Jadi, dengan menyusun ulang persamaan di atas, Arus tenggelam oleh beban = Penurunan tegangan / Resistensi Shunt.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, penurunan tegangan akan sama dengan tegangan input di Op-amp. Karena itu, Arus tenggelam oleh beban = Tegangan input / Resistansi Shunt.

Jika tegangan input diubah, arus yang mengalir melalui beban juga akan berubah.

Perbaikan Desain

Jika disipasi panas lebih tinggi, tingkatkan watt resistor shunt. Untuk memilih watt resistor shunt, R _w = I ² R dapat digunakan, dimana R _w adalah watt resistor dan I adalah aliran arus maksimum dan R adalah nilai resistor shunt.
LM358 memiliki dua op-amp dalam satu paket. Selain itu, banyak IC op-amp yang memiliki dua op-amp dalam satu paket. Jika tegangan input terlalu rendah, op-amp kedua dapat digunakan untuk memperkuat tegangan input sesuai kebutuhan.